實(shí)驗(yàn)一CVD金剛石膜生長(zhǎng)與掃描電子顯微鏡觀察

1、CVD 金剛石膜生長(zhǎng)與掃描電子顯微鏡觀看GrowthandscanningelectronmicroscopeobservationsofCVD diamond films試驗(yàn)?zāi)康奈锢韺W(xué)院物理系 00004037賈宏博同組：00004038孫笑晨2022-02-26了解低壓化學(xué)氣相沉積CVD金剛石膜的根本原理與方法并用 HF-CVD 裝置制備金剛石膜。生疏掃描電子顯微鏡的使用并把握掃描電鏡照相技術(shù)試驗(yàn)原理CVD金剛石膜進(jìn)展歷史、現(xiàn)狀及應(yīng)用前景簡(jiǎn)介金剛石優(yōu)異的電、光、熱、聲、機(jī)械等性能及其高化學(xué)穩(wěn)定性的特點(diǎn)，引起人們廣泛的50 年月初， 狀的，但在制備人造金剛石工具，開發(fā)其在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用起了

2、很大作用。1962 年，W. G. Eversole CVD方法制備金剛石膜。1 但是生長(zhǎng)速率1 nm/h1982 MatsumotoHF-CV2RF-plasm直流電弧放電DC-arc discharge、激光濺射laser ablatio、火焰噴射flame jet、直流等離子體噴射DC-plasma jet等方法并已日趨成熟。此外，人們對(duì)膜的形核和生長(zhǎng)機(jī)理也 體器件中的應(yīng)用，異質(zhì)外延金剛石單晶膜成為爭(zhēng)辯熱點(diǎn)。在立方氮化硼c-B、-SiC 以及 Si 襯底上小面積異質(zhì)外延金剛石膜已獲成功。3-4又如，為開發(fā)金剛石在機(jī)械加工中的應(yīng)用，硬質(zhì)合金外表原位生長(zhǎng)金剛石膜也在廣泛爭(zhēng)辯中。CVD 金剛石

3、膜的爭(zhēng)辯已步入應(yīng)用，但仍存在不盡人意之處，例如人們格外關(guān)注如熱、聲學(xué)等非力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用；如何理解生長(zhǎng)機(jī)制和理論模型等，都是人們格外關(guān)注的科學(xué)問題。熱絲法是最簡(jiǎn)潔易行的 CVD 方法。不僅造價(jià)廉價(jià)而且生長(zhǎng)速度較快。本試驗(yàn)承受自行CVD設(shè)備在硅襯底上生長(zhǎng)金剛石膜。金剛石膜氣相合成的根本原理圖1-1碳的P-T 相圖P-T 1-1 所示。 而石墨是穩(wěn)定相。只有當(dāng)壓力高于幾萬個(gè)大氣壓時(shí)，金剛石才變成穩(wěn)定相，而石墨成為亞穩(wěn)相。明顯從熱力學(xué)角度來說，在通常非高壓條件下，石墨的生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于金剛石，從而抑0.016eV，比熱kT=0.025eV 還小，但自然金剛石的數(shù)量與石墨相比實(shí)在太少。緣由之一是石墨與發(fā)生

4、在地球形成時(shí)的遠(yuǎn)古年月高溫、非高壓環(huán)境，緣由之二是二者間存在很高的勢(shì)壘，使得由石墨向金剛石的轉(zhuǎn)化格外困難。不過這一事實(shí)也說明金剛石一旦形成將是格外穩(wěn)定的。Augus 2-3 5因此，1-2 給出了CVDHF-CVD試驗(yàn)裝置示意圖。HF-CVD 1-2。金剛石膜生長(zhǎng)主要?dú)v經(jīng)以下四個(gè)過程：6CH -H42混合物的活化，由熱絲供給?；罨臍怏w輸運(yùn)到樣品外表。sp2 和sp3 鍵的碳。sp2 的碳。原子氫在金剛石生長(zhǎng)中的作用有：優(yōu)先刻蝕石墨，造成有利于金剛石生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)。H sp3 構(gòu)造。減小金剛石的臨界形核尺寸。與氣相中的碳?xì)浠衔锓错懖a(chǎn)生有利于金剛石生長(zhǎng)的基團(tuán)。H 原子，產(chǎn)生局部活性位，而又

5、不至于引起外表重構(gòu)，使碳?xì)浠鶊F(tuán)能吸附上去并形成金剛石構(gòu)造。7圖1-2HF-CVD apparatus scheme石膜形貌的影響。金剛石膜的表征方法金剛石膜的表征方法很多，包括光學(xué)顯微鏡，掃描電子顯微鏡 Scanning Electron Microscopy, SE，透射電子顯微鏡Transmission Electron Microscop, TE譜Raman Spectrum，紅外光譜，X 射線衍射X-ray diffraction,XR和選區(qū)電子衍射Selected Area Electron Diffraction, SEAD等。其中激光拉曼光譜在區(qū)分金剛石、石墨、非晶碳和碳?xì)湮镔|(zhì)這

6、些不同類型的碳構(gòu)造方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他表征技術(shù)這是由于它對(duì)不同的碳鍵是格外敏感的。8-9激光在金剛石膜中的滲透深度約為幾十納米至微米量級(jí)，因此激光Raman 散射光譜主要表現(xiàn)這一表層的形態(tài)。Raman 散射對(duì)于石墨比對(duì)金剛石靈敏度要高得多。10 所以很簡(jiǎn)潔探測(cè)出金剛石膜中的石墨相。另外由于晶粒尺寸、應(yīng)力及構(gòu)造完整性等緣由，Raman 散射峰會(huì)變寬和位移，所以通過Raman 譜的測(cè)定可以得到金剛石膜的這些性質(zhì)的進(jìn)一步信息。SEM 最抱負(fù)的技術(shù)。試驗(yàn)過程及結(jié)果CVD diamond film growth procedure使用原燈絲單晶硅100a b。襯底a 用金剛石拋光膏研磨，襯底b 用金剛15

7、分鐘，然后都用無水乙醇超聲清洗后放入反響室中。調(diào)整46 mm。翻開冷卻水。6 PaAr，CH4H 氣路清洗。2關(guān)閉主閥，翻開針閥，用流量把握器和針閥把握氣體流量分別為 Ar: 50 sccm，CH :43.00sccm，H : 100sccm50mTorr。然后關(guān)掉CH氣路。24接通燈絲電源，緩慢漸漸上升電壓，直至燈絲電流到達(dá) 78A。CH4氣路，開頭金剛石膜的生長(zhǎng)。用輻射高溫計(jì)測(cè)定燈絲和襯底四周的溫度。90 minCH4氣路和燈絲電源。待反響室降溫至接近室溫時(shí)，通過安全閥緩慢向反響室注入大氣，然后翻開反響室取4出樣品，樣品用無水乙醇短時(shí)間超聲清洗以除去附著的雜質(zhì)。1-1：4H2flowArf

8、lowCHflowFilamentcurrentFilamentvoltageFilamenttemperatureSubstratetemperatureAmbientpressureReactiontime120sccm70sccm3.00sccm79 A220 V2022oC1000oC50 mTorr90 min表1-1Growth parameters of HF-CVD diamond filmsSEM observations of the as-grown diamond films.Amray FEG-1910 場(chǎng)放射掃描電鏡來觀看1-3a 1-3b a b 上生長(zhǎng)金剛石膜的

9、外表形貌。圖1-3a襯底a經(jīng)金剛石拋光膏研磨上金剛石膜的掃描電鏡圖像圖1-3a襯底b經(jīng)金剛石砂溶液超聲研磨上金剛石膜的掃描電鏡圖像試驗(yàn)結(jié)果分析與爭(zhēng)辯HD-CVD 金剛石膜形貌的影響1-3a 1-3b 可以分析襯底缺陷對(duì)于金剛石膜形貌的影響。襯底a 經(jīng)金剛石拋光膏研磨，造成缺陷數(shù)密度較高，而襯底b 經(jīng)金剛石砂溶液超聲研磨，缺陷數(shù)密度比襯底a 要低很多。襯底a 與襯底b 相比，的金剛石膜生長(zhǎng)比較均勻，數(shù)密度較高，平均晶粒直徑較小襯底1m，襯底b2m?？梢?，襯底外表的缺陷數(shù)對(duì)于HD-CVD金剛石膜形貌有較大影響。在圖 1-3a 中可看到有一個(gè)較大的球狀突出局部，這可能是由于襯底上的雜質(zhì)Raman 光

10、譜。*4.2 硬質(zhì)合金外表原位生長(zhǎng)金剛石膜的探討粒用鑲嵌的方法固定在車刀刀口上，這種技術(shù)消耗本錢很大。一個(gè)熱點(diǎn)進(jìn)展方向是，在車刀晶格失配等因素產(chǎn)生的局部應(yīng)力，是造成這一困難的最主要因素。為解決此問題，可以考慮兩類材料可以備選：a金屬氧化物/碳化物類。這類材料可以與硬質(zhì)合金較好的熔合，需要考慮能否外延生長(zhǎng)金剛石以及熱膨脹系數(shù)和晶格失配等因素。bSiC、BN 等與金剛石構(gòu)造類似的材料。這類材料可以很好的外延生長(zhǎng)金剛石而且晶格失配也較小，但與硬質(zhì)合火，以釋放局部彈性勢(shì)能，從而加強(qiáng)材料的結(jié)合，增加抗磨損力量。總結(jié)用直熱絲CVD設(shè)備在硅襯底上生長(zhǎng)了金剛石膜并分析了襯底外表的缺陷對(duì)于 HD-CVD金剛石膜

11、形貌的影響。金剛石膜平均晶粒直徑 12 m，具有較高的數(shù)密度的純度。另外還提出了硬質(zhì)合金外表原位生長(zhǎng)金剛石膜的的可能方法。參考文獻(xiàn)1. W.G. Eversole, U.S. Patent 3,030,188, April 17, (1962).S. Matsumoto, Y. Sato, M. Tsutsimi, N. Setaka, J. Mat. Sci. 17, 3106 (1982).Jie Yang, Zhangda Lin, et al., Appl. Phys. Lett.65, 3203 (1994)C. L. Jia, K. Urban and X. Jiang, Phys. Rev. B.52, 5164 (1995)5. J. C. Augus, et al., J. Appl. Phys.39, 2915 (1968)W. Piekarczyk, et al. J. Cryst. Growth. 106, 279 (1990)Biwu Sun, et al., J.